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Die vernetzte Industrie und das Internet of Things that Really Matter

u-blox connected industry

Wo und wann lässt sich IoT einsetzen?

Für viele Entwickler von IoT‑Geräten, die über eine Reichweite von etwa 100 Metern kommunizieren werden, sind die Möglichkeiten vielfältig und etwas verwirrend. Es gibt Bluetooth IEEE 802.15.4 (ZigBee, Thread, Wireless Hart und andere), Z‑Wave und natürlich Wi‑Fi, mit all seinen verschiedenen Varianten.

Eine Begutachtung der Möglichkeiten ist besonders interessant, da sie jeweils ihre Fähigkeiten in Bezug auf Reichweite, Mesh‑Netzwerkfähigkeit, Unterstützung des nativen Internet Protocol (IP), Datendurchsatz und Energieverbrauch weiterentwickeln.

So plante die Bluetooth SIG beispielsweise für 2016 eine Erweiterung der offiziellen Reichweite von Bluetooth um das Vierfache, was bei einer Funkverbindung über Bluetooth mit Klasse 2 statt 10 m immerhin 40 m beträgt. Natürlich definiert die SIG nur die minimale Reichweite von 10 m: In Wirklichkeit variieren die Implementierungen der Anbieter, und mit einem guten Funk- und Antennendesign auf dem Empfänger eines Gateways könnte die Reichweite des aktuellen Bluetooth Low Energy leicht 100 m erreichen, wobei Classic Bluetooth bis zu 1 km erzielen kann. Die Bluetooth SIG plante auch, die Mesh‑Funktionalität zu Bluetooth Low Energy hinzuzufügen.

Die Bluetooth SIG hatte ebenfalls in Planung, die Datenrate für Bluetooth Low Energy zu verdoppeln, d. h. von 1 Mbit/s auf 2 Mbit/s Bruttorate zu wechseln und gleichzeitig die Latenzzeit zu senken. Bei industriellen Anwendungen sind extrem kurze Latenzzeiten im Bereich von nur 10 ms erforderlich, wenn ein System in der Lage sein soll, zeitnah auf eine Unregelmässigkeit zu reagieren: Ausfallsicherer Betrieb ist bei industriellen IoT‑Systemen und -Geräten unverzichtbar.

Ein Schwerpunkt liegt jedoch auf der Positionierung und anderen kontextbezogenen Daten. In vielen Bluetooth‑Funksystemen ist bereits ein Temperatursensor integriert. Das ist also auch ein guter Ausgangspunkt. Um eine Meldung über die aktuelle Position zu erhalten, sind iBeacons beliebt. Diese wurden von Apple im Jahr 2013 eingeführt. Allerdings sind sie nicht besonders genau. In Bereichen unterhalb von 1 m gibt es Schwierigkeiten bei der Auflösung, siehe Abbildung 1. Dabei wird hauptsächlich das PXP (Proximity Profile) genutzt, das wiederum den RSSI‑Wert (Received Signal Strength Indicator, Empfangsfeldstärke) verwendet, um die Reichweite festzustellen. Allerdings können bestimmte Unwägbarkeiten in der Umgebung, wie etwa Störungen oder Absorption, den RSSI‑Wert verfälschen, was mit zunehmender Entfernung immer schlimmer wird.

 Bluetooth_iBeacon


Abbildung 1. Bluetooth iBeacons stützen sich zur Ermittlung der Position auf die relative Stärke von RF‑Signalen. Sie sind nicht so genau wie ToF‑Methoden (Time‑of‑Flight), die nicht so stark von den Problemen Signalabsorption und RF‑Ausbreitung betroffen sind.

Um die Position wirklich genau, etwa zentimetergenau, zu bestimmen, haben sich bereits gut untersuchte Berechnungen auf Basis der Winkelmessung, dem AoA (Angle of Arrival) und AoD (Angle of Departure) als effektiv erwiesen (Abbildung 2).
 u‑blox_Indoor positioning with short range


Abbildung 2. Um eine Position hinzuzufügen, kann ein GNSS‑fähiges Gateway durch Kurzstrecken‑Funkkommunikation verbessert werden, und zwar durch Nutzung von AoA (Angle‑of‑Arrival), AoD (Angle‑of‑Departure), RF Fingerprinting und ToF‑Analyse (Time‑of‑Flight).

So hat sich beispielsweise ToF‑over‑Wi‑Fi bereits auf unter 30 cm genau erwiesen. Es misst, wie lange ein Paket von einem Sender zu einem Empfänger benötigt. Für die Verfolgung von Gütern wie Blutkonserven kann die Kombination aus Temperatur und genauen Positionsdaten entscheidend sein.

Designer können diese Daten mit präzisen Zeitstempeln von GPS‑fähigen Gateways kombinieren, die eine hohe Genauigkeit bieten können (Abbildung 3.) Und diese Gateways müssen keine teuren dedizierten Geräte sein: Ein Smartphone kann diese Informationen bereitstellen und die Daten über eine seiner zahlreichen Wireless – oder sogar kabelgebundenen – Schnittstellen mit der Cloud vernetzen.
 u‑blox_Time synchronization

Abbildung 3. Um eine Zeitangabe hinzuzufügen, können GNSS‑basierte Zeitstempel für Genauigkeit im Bereich von Nanosekunden verwendet werden. Weitere Techniken sind etwa PTP, NTP und sogar Time‑of‑Flight.

Zu weiteren Positionierungstechniken gehören Fingerprinting, das die RF‑Pfade der bekannten Orte von Wi‑Fi Access Points oder Mobilfunk‑Basisstationen erfasst, um die Geräteposition besser anzugeben.

Für Anwendungen wie V2I (Vehicle‑to‑Infrastructure), V2V (Vehicle‑to‑Vehicle) oder V2X (Vehicle‑to‑Everything) ist es auch wichtig, die geringste Latenzzeit für die Kommunikation zu suchen. Das ist der Grund für den Wechsel zu Funksystemen auf Basis von IEEE 802.11p im 5.9 GHz‑Band mit einem 10 MHz‑Kanal mit geeigneten Protokollen, um sicherzustellen, dass Signalverzögerungen von unter 50 ms erreicht werden.

Die vernetzte Industrie und das Internet of Things that Really Matter – Teil III